JPS59134523A - 電気回路のしや断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電気回路のしゃ断装置に関する。

公知の電気回路のしゃ断装置は、種々の定格電流で動作
するように設計された公知の金属ヒユーズがあるが、こ
の種のものは、軽い過負荷での溶断に長時間を要するこ
とや、あるいはもしそのヒユーズが６急速溶断”型であ
れば、その定格電流時の寿命が短かい一時には数時間し
かもたないものもあるーという欠点がある。このしゃ断
速度の遅いことは、集積回路のように、非常に短い時間
での軽い過負荷には耐え得る電気装置に対しては、特に
問題となる。また急速溶断方式のように寿命の短かいも
のは使用上不便である。

この発明は、個有の電導性を有するポリマーを含む作動
素子を有する電気回路の装置を提供する。

電導性を有するポリマー（以下電導性ポリマーという。

）、即ち実質的電流を通し得る高い電導性ポリマーが選
択され、本発明による作動素子として作動し得る。これ
らのポリマーは、低動作電流、たとえば１アンペア以下
、好ましくは２００ミリアンペア以下、さらに好ましく
は１００ミリアンヘア以下、特に好ましくは５０ミリア
ンペア以下の低動作電流用のヒユーズのような回路保護
装置の作動素子として使用するのに特に有利である。電
導性ポリマー作動素子が穏やかな軽い過負荷に対して゛
断状態となる”（即ち回路をしゃ断すること）には、装
置の定格電流での寿命を比較できるような従来のヒユー
ズにおけるしゃ断となる時間よりはるかに短かくなるこ
とが判った。この本発明の回路しゃ断は、作動素子の物
理的破壊や損傷なしに、作動素子の抵抗値を増大せしめ
ることにより、回路電流を無視できるレベル迄低減する
ことにより行なわれる。しかしながら、物理的破壊や損
傷があっても構わない。好ましくは、作動素子が、定格
の２倍の電流に対して回路をしゃ断する時間が６０秒以
下であるとともに、定格間 導性ポリマーが選出される。たとえば本発明において、
定格５０ｍＡ（ミＩＪアンペア）の装置は（定格の２倍
である）１００ｍＡの電流に対して２〜３秒で断”状態
となり一方、従来の５ＱｍＡ金属ヒユーズは、断となる
までに、ｌＱＱｍＡの電流を約１７分間も流し続けた。

既知の電導性ポリマーには、ポリ窒化イオウ、ポリアニ
リン、ポリフェニレン、ポリアセチレンおよびポリピロ
ールが含まれる。いくつかのポリマー、例えば（ＳＮ）
Ｘは本質的に電導性であるが、多くのポリマーは著しく
電導性にする為に酸化（または還元）を必要とする。例
えば、ポリアセチレンは酸化または還元を、ポリピロー
ルは酸化を必要とする。酸化（または還元）の方法はし
ばしばドーピングと呼ばれ、カウンターイオンがポリマ
ー中でイオン電荷の均衡をとるために（還元された）ポ
リマーと会合することを必要とする。

このカウンターイオンはしばしばドーピング剤といわれ
る。ドーピング剤の例には、ＢＦ４　　、ｐ−トルエン
スルホン酸、Ｂｒ、過塩素酸イオン、ピクリン酸イオン
、アルキルアンモニウムイオンのような正荷電イオンお
よびカリウムイオンのような金属イオンである。

ホリアセチレンハ、ＨｏＳｈｉｒａｋａｗａ　ｅｔ　ａ
ｌ、。

Ｊ　、　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｓｃｉ、、　Ｐｏｌｙｍ、　
Ｃｈｅｍ、Ｅｄ、、　１２゜１１（１９７４）に記載さ
れているように製造してよい。ボリア　工：　Ｌ／　：
／は、Ｊ、　Ｋ、　５ｔｉｌｌｅ　ｅｔａｌ　、　Ｊ、
　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｓｃｉ、、　Ｐａｒｔ　Ｄ、　５．
３８５（１９７１）に記載されているように製造してよ
い。ポリアニリン、ポリナフチルアミンおよびポリチオ
フェンは、以下で記述するポリピロールの製造と類似の
方法で製造してよい。

明瞭にするために、「電導性ポリマー」という語句は、
本明細書において、ポリマーの酸化／還元および／また
は電導性にする「ドーピング剤」存在を必要とするもの
を含み、本来電導性または半型導性になり得るあらゆる
ポリマーまたはオリゴマー（以下、両者は「電導性」ま
たは「電導性の」という語に含まれる。）を意味する。

従って、前記の語句は、ポリ窒化イオウのような無機ポ
リマー、ポリピロールのような有機ポリマー、電導性で
あるすべてのポリマーを含み、電子伝導は本発明の目的
に好ましい。本語句は炭素、シリコン、ゲルマニウムの
ような単一元素物質を含まない。

「ドーピング」および「脱ドーピング」という語は低電
導性と高電導性状態にポリマーを転換させるのに用いる
酸化／還元工程を意味する。「ドーピング剤」という語
は、前述のカウンターイオンおよびポリマーの高電導性
形態を安定化するカウンターイオンを与える物質を意味
する。「ドーピングしていない」、「ドーピングした」
および「脱ドーピングした」という語は、これに従って
理解される。

本発明において用いる好ましい電導性ポリマーはポリピ
ロールおよびこれの適当な電導性誘導体（例えば、ポリ
（３，４−ジメチルピロール））である。ドーピングし
た電導性状態にあるこれらのポリマは、経時的な機能低
下に対する必要な抵抗性を有し、適当な物理的形状で合
成される。

ポリピロールおよび適当に置換した誘導体は添付図面第
１図の一般式（Ｉ）によって示される様なピロールから
製造されてよく、一般式（Ｉ）においてに０〜に５は同
一または異なってよく、可能な置換基を示すが、重合す
るのに十分な場所が置換されずに残っていなければなら
ない。電導性ポリマーは共役π電子系によって効果を発
揮すると考えられており、ある置換基または置換基の組
合わせが所望の電導性を減少するか破壊する様に共役系
に干渉することが理解される。許容できる置換基は、生
成するポリマーを単に試験することより決定できる。

電導性ポリマーの電気化学的製法は、本発明の作動素子
材料を製造するために以下の逼り用いられる。一般に、
電気化学的セルを用いる。該セル中では２本の電極（例
えば、ステンレス鋼、プラチナまたはガラス被覆された
酸化インジウム）を電解質混合液、分散液または溶液中
に浸す。電解化できる基を担持する物質を含む。溶媒ま
たは溶媒混合物は、プロトンおよび非プロトン溶媒から
選はれてよく、例えば、アセトニトリル、テトラヒドロ
フラン、ジメチルホルムアミド、水、メタノールがある
。電解混合液に、重合して所望の電導性ポリマーを形成
するモノマ一種を加える。絢−混合液を得る為に生成混
合物の攪拌が必要である。セル作動により、電導性フィ
ルムが適切な電極上に形成する。ポリピロールのような
正荷電ポリマーでは、フィルムは陰極に形成され、一部
酸化されており、フィルムを中性荷電にする負′荷電ド
ーピング剤を含む。

化学的製法も用いられ、該製法ではモノマーおよびドー
ピング剤を、適当な液体媒体中にある酸化剤と混合する
。

作動素子として用いる適当な種々の電導性ポリマー製造
のいくつかの例を以下に記述する。

製造例１ 市販Ｌ　ｔ　Ｂ　Ｆ２Ｏ，１モル／ｌのアセトニトリル
５　Ｑ　ＣＣ溶液およびピロール０，０６モルから成る
電解混合液を有する電解セルの陰極および陽極として、
２ｃｍ離れた２本のステンレス鋼電極を用いた。セル作
動の間、混合液を攪拌した。

電解セルに直流電力を供給した。電解混合液の電解を、
１時間電圧５■をセルにかけることより実施したが、こ
の時の電流密度は１ｍＡ／ｃ＋４であつた。

もろい黒色フィルムが陰極上に堆積し、かろうじて除去
されて自立性フィルムを与えた。このフィルムを、割る
ことなく紙のように２つに曲げたり、折り目をつけるこ
、とけてきなかった。

製造例２ ｐ−１−ルエンスルホン酸ナトリウム０．１モノ４のア
セトニトリル７５−溶液を電解液として用いる以外は製
造例１と同様の方法をくりかえした。

セルを４５分間、電流密度１　ｍ　Ａ　／　ｔ＊で作動
させた。自立性の可撓性黒色フィルムを得た。

製ｊｈ例３ ポリエチレングリコール（分子ｆｔ２００）１３０ｍｌ
、過塩素酸テトラブチルアンモニウム０，１モル／７？
のアセトニトリル溶液１３０．ｎｌおよびピロール７　
ｍｌを、ステンレス鋼網陽極を用いて電流密度約１ｍＡ
、／ｃ−Ｊで攪拌上電解に付した。

過塩素酸イオンでドーピングされ、かつポリエチレング
リコールの入ったポリピロールの可撓性フィルムが出来
た。ポリエチレングリコールは、以下に記述する使用条
件下、過塩素酸塩イオンによる破壊的酸化（爆発）の「
燃料ｊの働きをする。

製造例４ ピクリン酸０，１モル／ｌのアセトニトリル溶液１３０
ｒｎ！、およびピロール７ｒｎｌを製造例３のような電
解に付した。ピクリン酸イオンでドーピングされたポリ
ピロールの可撓性黒色フィルムが出来た。

ピクリン酸塩は、以下に記述する使用において十分な電
流がポリマーを通過する場合、爆発する。

自立性の、好ましくは可撓性の電導性ポリマーフィルム
を作用素子として用いるのが有利であるが、堅いフィル
ムおよび適当な担体で支持されたフィルムも使用できる
。

好ましいポリピロール誘導体およびドーピング剤は、塩
素、フルオロホウ累錯塩、過塩素酸またはＰ−トルエン
スルホン酸イオンでドーピングされたポリピロールを含
み、最後のドーピング剤はより可撓性のフィルムを製造
する傾向がある。

この発明は、現存のこの種の回路しゃ断装置を含む電気
回路の保護方法をも提供する。

この発明に係る装置は、たとえはプリント基板回路など
の電気回路内に、もし必要ならば他の保護装置と組み合
わせて、都合よく組み込むことができる。

この発明の作動素子は、適当な保護環境、たとえば酸化
を最小にするために真空や窒素ガス或いはコンパウンド
中にまｆこは必要なら電気絶縁性油中に入れることによ
り、封入してもよい。この方法は、ポリアセチレンのよ
うに容易ン酸化されるものには特に望ましく、ポリピロ
ールにとっても好ましい。

本発明の実施例により電気回路しゃ断装置を図面ととも
に以下に説明する。

（１）は−条の電導性ポリマーを含む電導性ポリマー作
動素子、 （２）は装置の中間部分、 （３）は作動素子を回路に装着するための電導部、（４
）は回路中の負荷である。

この発明の装置が断となるには２つのモードがある。

モード１：過負荷が定格電流の２倍程度の軽いものであ
るときは、部分（３）でポリマー抵抗が、作動素子の中
間部に対して増加する。それ故作動素子を通る電流は実
質的に減少し、そのため、電気機器は保護される。

モード２：過負荷電流の高い初期レベルで、作動素子の
実際の物理的破壊により、断状態が生じる。

これらの２つのモードは、もし印加電圧が充分に高くな
ると、モード１が生じた後にモード２が生じることもあ
り、相互に排他的に起るものではない。

この発明の装置の具体的形状を第３図ａと第３図すに示
す。電導性ポリマー作動素子の寸法と形状とは、回路し
ゃ断装置が所望の定格と過負荷特性とを示すように、ポ
リマーの個有の電気抵抗に合わせて選択すればよい。こ
のように作動素子の寸法と形状とは限定的なものではな
いけれども、寸法は第３図に示すように、ポリマーの電
導部が１０から５００Ω−１・ｃｍ’の範囲にあるのが
実際的に使細しやすいものであることが判った。なお第
３図３１第３図すにおいて、作動素子の長さは１５咽、
幅は１ｗｎ、厚さは５０μｍである。

電導性を、Ｅ　ｄ　、　Ｊ　、　Ｅ　、　Ｋａｔｏｎ　
（ＭａｒｃｅｌＤｅｋｋｅｒ　１９６　Ｂ　）の有機半
導体ポリマーにて述べられているのと同様の４−プロー
ブ方法により測定した具体例にしたがってこの発明をさ
らに説明する。

例１ 第３図に示すような、寸法をもち、かつ電導性が１００
オーム−１・Ｃｍ’の、Ｐ−トルエンスルホン酸イオン
でドーピングされたポリピロールを含む電気化学的に調
製された（製造例２参照）帯を含み、定格５０〜５Ｑｍ
Ａのヒユーズが用意された。

この装置が１断”となるまでの時間が試験され、結果は
第４図のグラフＡに示している。この図において、定格
電流以上の過負荷電流の相対的量が、断開始に関する時
間の対数に対してプロットされ、従来の５０〜６０ｍＡ
金属ヒユーズについての同様のグラフＢと比較して示さ
れている。第４図からこの例によるヒユーズは、従来の
ヒユーズに、定格の３倍の過負荷がかけられたときの１
断”となる時間よりも速く断となり、この傾向は定格電
流の１〜１／２倍から２倍の電流のとき顕著に非常に速
く断となることが判る。この発明のヒユーズはもし必要
なら、従来のヒユーズと組み合わせることもできる。本
発明のヒユーズの失敗温度が従来のヒユーズに比して低
いことおよび多くの場合において平衡連続動作温度が低
い点に利点を有する。

例２ 製造例１にて用いたのと同様にして得られた１１Ω−１
・ｃｍ−１の電導度のＢＦ４ドーピングしたポリピロー
ルを用いて例１と同様のヒユーズを用いた。１２０ｍＡ
の電流に対して、２２５ミリ秒で無視できるレベルに電
流を低減し、ヒユーズは断となった。

この発明のさらに他の実施例においては、作動素子は、
過負荷電流に対して回路しゃ断機能を増大するように化
学的に反応する材料を担持することかできる。嫡負荷電
流のもとで、作動素子の崩壊または破壊を速くするよう
な材料が特に有効であり、たとえは作動素子を破壊して
回路をより早くしや断するように、熱により或いは電導
性ポリマー作動素子を通る電流により、急速に酸化する
少尼の物質を使用するのが有効である。この酸化促進物
質は、熱で酸化するための作動素子の限定された領域に
単にコーティングする方法により担持させることができ
るが、ドーピングと酸化機能をうまく結合するようにピ
クリン酸イオンのような爆発性ドープ剤あるいは好まし
くはドープ剤と爆発的に反応し得る、前述の製造例３と
４で述べたような適当な１燃料”を含んだ過塩素酸塩イ
オンのような急速に酸化させるドープ剤がドープ系が担
持するようにすることもこの発明によれば可能である。

過塩素酸ドープ剤に対する適当な燃料は、所望の効果を
生じさせるように電導性ポリマー上またはその内部にお
いて容易に酸化し得るどのような材料でもよい。都合よ
く、フィルムそれ自身は酸化のための十分な燃料を提供
することができる。

この発明の回路しゃ断装置は、自身が上述のような急速
酸化が可能になっているか否かによらず、ブリッジワイ
ヤと呼ばれる、爆発装置用の電気導火線または起動器と
して使用でき、これによれば、この発明装置の低過負荷
電流での高速応答性により、より良好な爆発制御を行な
い得る。

急速酸化装置の例を次に述べる。

例３ 電導度２００Ω−１ｃｒｎ−１を有し、製造例３のよう
にして得られた過塩素酸塩／ポリエチレングリコールを
ドープしたポリピロールを用いて、例１と同様なフユー
ズを得た。

例４ 電導度１１Ω−ＩＣ１ｎ−１を有し、製造例４のように
して得られた、ピクリン酸イオンドープポリピロールを
用いて例１と同様のヒユーズを得た。電流１２０ｍＡで
、１．１秒間に、爆発によりヒユーズは断となった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に用いられるピロールの式を示す図、
第２図はこの発明の装置を用いた回路の一例を示す回路
図、第３図３はこの発明の一実施例を示す平面図、第３
図すは第３図ａの側面図、第４図は第３図の装置の動作
を示す特性図である。 １・・・作動素子 ２・・・中間部分 ３・・・電導部 特許出願人　レイケム・リミテッド 代理人　弁理士　青白　　葆　外２名

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　電導性ポリマーを有する作動素子を備えた電
   気回路のしゃ断装置。 （２）　　電導性ポリマーは、作動素子が、定格の２倍
   の電流であるとき６０秒以内で回路をしゃ断するととも
   に、定格電流下では少なくとも２４時間連続的に動作可
   能であるように選定された、特許請求の範囲第１項に記
   載の装置。 （３）定格電流がＩＡ以下、好ましくは２０’　ＱｍＡ
   以下、より好ましくはｌＱ’ＱｍＡ以下である特許請求
   の範囲第２項に記載の装置。 回内の電導度を有する特許請求の範囲第１，２゜３項の
   いずれかに記載の装置。 （５）作動素子は自己支持型の電導性ポリマのフィルム
   である特許請求の範囲前記のいずれかに記載の装置。 （６）　　作動素子は支持体に載置されている特許請求
   の範囲第１項から第４項のいずれかに記載の装置。 （７）作動素子は過負荷電流下で回路しゃ断機能を増大
   するために化学的に反応する物質を担持している特許請
   求の範囲の前記いずれかの項に記載の装置。 （８）作動素子は、過負荷電流の通過で急速な酸化が可
   能な材料を担持している特許請求の範囲第７項に記載の
   装置。 （９）作動素子の電導性ポリマーは爆発性ドープ材でド
   ープされている特許請求の範囲第８項に記載の装置。 口０）　ドープ剤はピクリン酸イオンを含む特許請求の
   範囲第９項に記載の装置。 ｆｉｌ）　　作動素子の電導性ポリマーは急速酸化ドー
   プ剤である特許請求の範囲第８項に記載の装置。 ０２）作動素子は酸化用ドープ剤との爆発性反応が可能
   な他の物質を担持している特許請求の範囲第１１項に記
   載の装置。 ０３）上記他の物質は過負荷状態でドープ剤によって容
   易に酸化し得る、好ましくはポリエチレングリコールな
   どのポリマーである特許請求の範囲第１項に記載の装置
   。 （矧　ドープ剤は過塩素酸塩イオンを含む特許請求の範
   囲第１１．１２又は１３項に記載の装置。 ＋１５１　　電導性ポリマーはポリマーまたはピロール
   または置換ピロールのオリゴマーである特許請求の範囲
   の前記いずれかの項に記載の装置。 （１６）少なくとも作動素子は保護雰囲気により包囲さ
   れている特許請求の範囲の前記いずれかの項に記載の装
   置。 （１７）　　第２の回路保護装置と組み合わされている
   特許請求の範囲の前記いずれかの項に記載の装置。 （１８）特許請求の範囲第１項から第１７項のいずれか
   に記載の装置を含む電気回路。 （１９）特許請求の範囲第１項がら第１７項のいずれか
   に記載の装置を作動機構とする点火装置。